果蔬微波干燥技术的研究进展与发展趋势

○黑龙江省农业科学院大豆研究所 付亚萍 田雨琪 牛佩海 王伟全 田成禄

果蔬在常温中容易腐败和变质，通常情况下，长时间贮存果蔬一类的食物，它必须经过干燥处理。果蔬片制品的微波干燥技术是一种新型的干燥技术，原理是利用水果蔬菜中的水分在微波能的作用下，吸收能量使得水分蒸发，从而降低果蔬中水分含量，进而达到干燥果蔬的目的。与传统方法相比，采用微波干燥可有效地缩短干燥时间，减少能耗，并可改善产品的品质。本文通过梳理微波干燥的作用机理与干燥特点、阐述微波干燥技术的国内外研究进展，分析果蔬微波干燥技术的未来发展趋势进行探讨，为果蔬干燥手段提供一种新思路、新方法。

一、微波干燥技术作用机理和技术特点

1.作用机理。微波属于电磁波范畴，是电磁波的一种，人们利用微波具有反射、射透等电磁波性质，运用在物料干燥领域，相比传统干燥手段有诸多优势。

2.微波干燥原理。水果与蔬菜在微波干燥前，它的内部偶极子排列无序，整体呈中性，基本无导电。果蔬在微波干燥过程中，在微波能的作用下，内部的偶极子会产生高速的反转、位移或振荡，促使正电子向负极运动，负电子与之相反，偶极子表现出一定的方向性排列，在此过程中微波能转化成机械能释放大量热量，给予偶极子一点的势能，保证分子之间运动产生“摩擦”状态，最终以介质内部的升温和果蔬含水率下降的参数展现。微波干燥原理图如图1 所示。微波干燥设备工作原理是电源产生微波被磁控管所接受，通过波导装置输送到干燥室，形成微波场，果蔬在微波场中引起介质振动达到内部温度上升，降低果蔬含水率的效果。

图1 微波干燥原理示意图

3.微波干燥特性分析。在果蔬微波干燥过程中，为达到最佳干燥效果，微波场在干燥室中均匀分布，且波导管与干燥室的阻抗相对应匹配。每种物料的不同特性，在微波干燥中也展现出不同的性能参数，干燥室内的电磁波和微波功率也会随物料特性而变化。

（1）电磁波传播特性。微波干燥过程中，干燥室内的电磁场的功耗消散速率反应了不同物料的微波干燥效率。假设干燥室的电磁波从波导处开始作用，电磁场分布状态由麦克斯韦波形方程解析式如下：

式中：μr—相对磁导率；

E—电场强度（V/m）；

c—光速（3.0×108m/s）；

f—电磁场频率（Hz）。

（2）热量控制特性。物料在微波干燥室内被干燥时，强电磁波场会将物料内部的原子拉成电偶极子，且促使微波能转化成物料内部的热能形式。根据能量守恒定理，微波能在物料内部作用的能量与转换成物料内部能量和物料内部水分吸收的热能相等。干燥室内部微波能与物料内部能量变化关系可由式②、③表示。

微波干燥过程中，物料内部之间的传热传质方程如式④所示。

式中：S—坡印廷矢量；

E—电场强度（V/m）；

H—磁场强度（A/m）；

J—电流密度（A/m2）；

ρ—物料密度（kg/m3）；

CP—物料比热容（J/（kg/K））；

k—物料导热系数（W/（m·k））；

T—温度（ ℃）；

M—微波干燥物料水分蒸发量。

（3）物料介电特性。物料的介电特性是指物料受微波干燥中内部介质吸收微波能量的大小。物料中的介质对自由电子的约束作用能力反应为介电常数的数值，其具体表现为对微波能量的吸收转化为自身能量。物料不同，介电常数随之不同。在实际微波干燥中，介电常数处于一个变化的状态，随着干燥室内部的温度、水分含量等物性参数的改变，介电常数也随之降低。在物质吸收微波的过程中，转化效率和热效率主要受物料的介电特性影响。复介电常数指的是介电常数和损耗系数结合起来，使介质对微波能量的吸收率达到最大值，能有效地反应微波干燥时的电极化状况。单位质量的介质转换微波能为：

式中：P—微波吸收功率（W/m3）；

f—微波频率（Hz）；

E—电场强度（V/m）。

由此可知：当排除温度、含水率等物理参数时，物料转换微波能的效率与其电磁场强度、频率和介电常数有关。

4.微波干燥技术特点。相比于其他传统的干燥手段，微波干燥的温度梯度和热量变化是直接在物料内部进行，物料吸收微波能后能够在短时间内发生温度变化，温度的变化梯度小，防止裂纹产生。同时，内部水分蒸发由内向外进行，不会影响热量的传递，提升了干燥速率。物料微波干燥时水分迁移图如图2 所示。

图2 微波干燥水分迁移图

二、果蔬微波干燥技术研究现状

在果蔬干燥方法中，微波干燥能够保证干燥后的果蔬色泽和营养成分与干燥前的状态基本一致，具有较大的研究潜力。英国的Khraisheh 等人对比了马铃薯热风干燥与微波干燥的质量与营养成分，微波干燥的马铃薯制品维生素C 含量是热风干燥的马铃薯制品2 倍。同时，热风干燥马铃薯过程中，马铃薯的体积与含水率成线性关系，斜率保持不断，均匀下降；而微波干燥马铃薯过程中，马铃薯体积与含水率成两段式的线性趋势。在干燥初期，干燥速度很慢；随着含水量的降低，在干燥后期，干燥速度有显著的提高。且微波干燥后的马铃薯制品复水性好于热风干燥的马铃薯制品。美国研究学者Lin 等人对真空微波干燥、热风干燥和冷冻干燥三种干燥方法下的胡萝卜的特性进行了研究。结果表明，微波真空干燥可缩短胡萝卜片的复水时间、复水性能好，α-胡萝卜素明显高于其他干燥方法的胡萝卜片，且口感好、质地松软酥脆，感官评分更好；热风干燥后的胡萝卜片色泽变化较大，无鲜艳的果蔬光泽；经过冷冻干燥的胡萝卜片，其营养成分得到了很好的保存，复水性能也比热风干燥产品要好，但其他感官评分的项目中不如微波干燥效果好。微波干燥后的胡萝卜片质地酥脆，有向零食产品发展的趋势。波兰的Joanna 等人通过对马铃薯块状干制过程中，对块状干制过程中色泽、淀粉含量、机械性能、组织结构的变化进行了研究。实验结果表明，微波对小块状马铃薯的颜色影响不大，保留小块状马铃薯的淀粉、糖分含量最大，对小块状马铃薯的品质影响最小；热风干燥过程中，由于高温作用，会使小块状马铃薯的组织结构受到严重破坏，口感变差。胡庆国等人采用不同的干制工艺，比较了不同干制工艺对干制效果的影响。研究发现，热风干燥时，高温下干燥时间长，会造成毛豆仁中的维生素和叶绿素的大量流失，而且因为氧化作用，毛豆仁的颜色发生了很大的变化；采用冻干技术处理的毛豆仁，可以较好地保持其营养成分，且色泽较佳，但冻干后的毛豆仁质地柔软，与其它处理方法相比，其口感较差；真空微波干燥综合热风干燥与冷冻干燥技术，干燥后的产品综合感官评分最高。王美霞等人研究苹果片微波干燥变化规律中发现，物料内部水分需要在一定的限定范围内，水分含量不宜太高也不宜太低，太低的水分含量会造成物料的焦化，过高会影响最终的干燥效果。总结上述研究现状可知，微波干燥技术因为其特殊的干燥机理和技术特点，相比与其他干燥技术有着明显的技术优势。

三、果蔬微波干燥技术存在的问题与发展趋势

随着干燥技术的研究与推广，水果与蔬菜的长时间储存问题得到了解决，且干燥后的果蔬衍生产品带动了经济，增加了农民收入。冷冻干燥技术能够最大程度保留果蔬的营养价值，但是干燥时间长和不易控制水分与温度等问题比较突出。传统的热风干燥技术干燥成本低，但是干燥过程中温度较高，增加了挥发性成分的损失和酶活性降低，无法保证果蔬中的营养物质得到充分的保留。微波干燥技术具有干燥速率快，干燥过程无污染源，干燥品质较好等优势，利用微波干燥技术对果蔬进行干燥，能够最大程度地保持其原有的形态、色泽和营养，使其更易于食用，含水率低，可长时间的储存，能够适应长时间运输条件，间接调节一些果蔬季节性淡旺季的特点。主要进行微波干燥的果蔬有胡萝卜、马铃薯、辣椒、苹果、蓝莓、香蕉等。但是，单一的微波干燥技术存在干燥不均匀、色泽与外观变化较大等缺点。

为研究更优的干燥效果，学者提出了联合干燥技术的概念。微波干燥技术与其他干燥技术相结合能够有效的弥补单一干燥技术带来的缺点，发挥不同干燥技术的优势，有效去除果蔬中水分，达到干燥果蔬的目的，且联合干燥技术在能源消耗、降低成本和干燥品质等方面具有较大的技术优势。

微波联合干燥技术相对于单一的微波干燥技术能够减少干燥时间，降低能源消耗，保证干燥制品的品质价值与经济价值，具有较高的应用推广价值。相关专家学者可在提高干燥效果和干燥技术方面进行优化微波联合干燥工艺的深度研究。

四、结束语

本文通过梳理微波干燥技术的作用机理和干燥技术特点、阐述微波干燥技术的国内外研究现状，分析果蔬微波干燥技术现阶段存在的问题和未来的发展方向。微波联合干燥技术是微波干燥未来发展空间较大的研究方向，能够减少干燥时间，降低能源消耗且保证了干燥制品的品质价值与经济价值，具有较高的应用推广价值。相关专家学者可在提高干燥效果和干燥技术方面进行优化微波联合干燥工艺的深度研究。